基于科学级CCD的紫外成像系统设计与实现

为了获取高信噪比的图像,采用紫外敏感型科学级光电探测器CCD47-20,设计了可在特定紫外波段对燃料燃烧火焰进行快速曝光成像的紫外成像系统。CCD47-20具有较深的势阱,可以保证成像系统的信噪比。然而对于此类CCD,其曝光时间通常在200ms以上。为了实现对目标的快速曝光,在分析CCD47-20的性能及工作原理基础上,设计了基于两次帧转移、一次水平读出的CCD驱动时序方法,完成了成像系统的设计,将CCD的曝光时间缩短至10ms。在实验室对系统进行了辐照测试,结果表明,当曝光时间改变时,CCD响应度为线性,验证了时序及驱动电路设计的正确性。信噪比测试结果表明系统信噪比达到46.8dB。在外场,对固体燃料火焰进行了成像,获取了火焰在特定紫外波段的图像,捕捉到了剧烈燃烧的火焰形状,验证了紫外成像系统快速曝光的性能。     

激光主动成像系统探测距离的计算与仿真

为了准确计算主动成像系统的工作距离,利用激光照明模型,根据成像过程中影响系统成像质量的因素,建立了激光主动成像系统的信噪比模型。根据相机发现识别目标所需要的信噪比阈值,脉冲激光器I、CCD接收器的性能指标,大气消光系数等参数,推导出激光主动成像系统的工作距离公式。利用工作波长为0.532μm的脉冲Nd∶YAG激光器,CCD相机,以及基于CPLD技术设计的距离选通同步控制板,进行了主动成像实验,并且完成了系统探测距离的计算与仿真。     

机载紫外DOAS成像光谱仪CCD成像电路的设计及实施

机载紫外DOAS成像光谱仪通过获取大气与地表的折射或散射的紫外光辐射,监测大气痕量气体的分布与变化,其电子学部件的重要组成部分为CCD成像电路。采用帧转移型面阵CCD-47-20为图像传感器,以现场可编辑门阵列（FPGA）为核心控制器的成像电路模块,设计并实现了一套完整的机载紫外光谱仪成像系统。CCD成像电路完成包括CCD驱动时序电路、CCD数据采集电路,接收CCD模拟图像信号产生数字图像信号,将数字图像信号通过差分芯片驱动以低压差分信号（LVDS）传输给机载通讯系统等功能。讨论了机载紫外成像光谱仪的设计过程,并重点讨论了CCD成像电路的设计过程。设计的机载紫外DOAS成像光谱仪系统成像分辨率为0.286。实验证明满足大气污染气体的观测需求。     

激光主动照明成像实验研究

激光照明成像系统为主动光学系统。在低照度情况下,使用激光对远距离目标进行照明,最终利用激光回波在CCD上成像。通过对激光经大气传输后回波功率的研究,对激光照明成像系统作用距离进行推导。利用886 nm固体激光器和CCD相机建立实验系统,验证利用激光照明在主动探测中的可行性。     

海洋成像光谱仪信噪比研究

为实现海洋遥感卫星高光谱分辨率及弱目标的探测需求,需要在窄谱段内、低照度下实现高信噪比.通过对成像光谱仪信噪比的推导,建立了成像光谱仪信噪比的评估模型.利用成像光谱仪的光学透过率、光栅的衍射效率、CCD器件的量子效率、CCD暗电流、读出噪声,以及视频噪声等,对海洋水色谱段、中心波长处、典型辐亮度下、5 nm光谱带宽内的系统信噪比进行仿真分析.最后,对系统信噪比进行了测试.测试结果表明:仿真分析正确,此成像光谱仪信噪比可达到60 dB.     

科学级紫外CCD电路系统设计

为了获取高质量高帧频紫外图像数据,设计了一套基于科学级紫外CCD的成像电路系统。整个系统以E2V公司CCD57-10图像探测器为核心,以Microsemi公司低功耗FPGA—A3PE3000L为逻辑控制单元进行展开。首先,给出了系统的总体设计方案,分析了CCD57-10 的工作特性,并设计了一套性能可靠的硬件电路系统;分析了CCD探测器的时序关系并确定了详细的时序参数,在不影响探测能力前提下,为了提高系统帧频,设计上采用了CCD开窗工作模式;通过优化时序设计,在FPGA内完成了不同曝光时间工作模式的自适应。实验结果表明,系统在200KHz读出频率,256*256开窗条件下,帧频可达3f/s,读出噪声低至10个电子,具有较好的性能。成像系统性能稳定、可靠性高,设计理念具有较好的可扩展性。     

天基可见光相机探测距离仿真分析

探测距离是衡量空间目标天基可见光相机探测、识别能力的一项重要指标.本文从辐射度学和光度学出发,通过对目标光度特性、天空背景特性、CCD噪声特性进行计算分析,建立了信噪比模型,信噪比模型是关于探测距离和成像像元个数的隐式.根据Johnson法则中成像像元个数与探测效果的对应关系,得出探测信噪比、探测距离与探测效果之间的关...     

水下单光束扫描探测系统光路参数优化设计

针对水下单光束扫描探测系统探测水中近场目标的需求,为抑制海水后向散射干扰,提高系统信噪比,对系统光路参数进行了优化设计。通过推导系统盲区距离公式、水中目标回波和后向散射功率方程,分析了系统探测区域和信噪比同光路参数的关系。在不同水质条件下,基于粒子群算法(PSO)对光路参数进行了优化计算。结果表明:对探测区域为6-10 m的系统,当发射光束与接收视场平行,接收视场半角为9 mrad,收发间距为10.6 cm时,系统信噪比达到最佳。为验证理论模型的正确性,设计了水下激光探测光路模拟系统,测试不同光路参数下系统信噪比,实验结果与理论值一致。优化结果可为水下单光束扫描探测系统光路设计提供理论依据。     

微弱光谱信号低噪声信息获取和处理技术研究

对温室气体进行全球范围的高精度监测,获取高可靠有效数据,是实现对温室气体排放进行监控的基础。为了实现温室气体的亚纳米高光谱分辨率光谱探测,需要保证高光谱温室气体监测仪探测系统具有高信噪比。围绕仪器信号链路的关键模块——InGaAs面阵探测器的信息获取与处理模块,开展了微弱光谱信号低噪声信息获取和处理技术的研究。设计了微弱光谱信号低噪声信息获取和处理系统,并深入研究了影响光谱探测系统噪声的重要因素。通过构建谱段信噪比模型,并采用小带宽运放电路和AD多次采样方法降低电路噪声,系统在1.61μm谱段0.07nm光谱分辨率下,典型能量值为1.91W/(μm·m²·sr),信噪比(SNR)达340。实验结果表明,系统噪声均方差(RMS)值为8.1LSB,优于10LSB(4.9mV噪声),实现了高光谱温室气体监测仪对亚纳米微弱光谱信号探测的高信噪比需求。该低噪声信号获取与处理技术为InGaAs面阵探测器在温室气体监测应用领域的微弱光谱信号探测打下了基础。     

微弱光信号检测系统的研究北大核心

为了解决光电检测系统检测微弱光信号时的噪声问题,通过建立等效电路模型,推导出了光电检测电路输出信噪比公式并分析了影响系统噪声性能的关键因素。设计了一种可探测微弱光信号、具有宽动态范围和自动换档功能的光电检测系统。实验结果表明,该系统可对微弱光信号进行精确探测。     

基于FPGA的CCD驱动设计

以Atmel公司的面阵CCD-TH7888A图像传感器为例,在研究了CCD结构和驱动时序图的基础上提出基于FPGA的驱动脉冲设计方法和硬件电路实现。使用VHDL语言对驱动时序发生器进行了硬件描述,并采用Quartus5．0对设计的驱动时序发生器进行仿真。试验结果表明,涉及的驱动电路可以满足面阵CCD-TH7888A的各项驱动要求。     

TDI-CCD相机成像电路设计

本文首先介绍了TDI-CCD的原理与结构,然后围绕IL-E2 TDI-CCD详细介绍了我们设计的TDI-CCD成像电路。时序控制器基于FPGA实现,产生CCD成像系统的控制时序和设置各种成像参数;功率驱动电路将时序发生单元产生的单一逻辑电平转换为TDI-CCD所需的各种电平,并提供给TDI-CCD容性负载瞬态电流的驱动能力;级数选择部分采用模拟开关实现;针对CCD输出的视频信号特点,设计了低噪声放大预处理电路;信号处理采用了集成相关双采样、可编程增益控制、数字化偏置控制、嵌位、A/D转换等功能于一体的CCD视频处理专用集成芯片TDA8783。本设计实现了CCD成像系统的控制和处理,得到了高质量的图像。     

4路长积分时间CCD成像电路的设计与实现

基于CCD47-20和CCD55-30探测器设计了一种4路探测器成像电路。由于积分时间长,该系统可以在弱光条件下实现高灵敏度成像。建立了探测器的驱动电路模型,分析了CCD探测器对驱动的要求,以选择合适的驱动芯片;在分析探测器噪声特性的基础上,通过相关双采样法和合理的滤波器设置抑制了电路噪声。针对4路探测器信号处理电路之间的串扰问题进行了分析和对比,为合理的PCB布局布线提供了参考。该成像电路与商用镜头搭配使用后已成功获取了微光条件下的低噪声外景图像。     

猫眼逆向调制激光通信接收放大电路的设计

猫眼逆向调制激光通信由于通信速率高,回波信号微弱,对接收放大电路提出了低噪声、高增益和宽带宽的严格要求。首先分析了猫眼逆向调制激光通信链路模型和信噪比对误码率的影响。然后,根据系统设计指标分析了电路的带宽、增益和噪声限度等性能参数;在此基础上设计了由跨阻放大模块和增益可变主放大模块构成的接收放大电路。最后,计算了电路的总噪声,并对电路的响应特性进行了仿真。该接收放大电路的带宽达到140 MHz,信号增益大于70 dB,总噪声电流约为1.34×10~(-7)A。结果表明,该设计能满足系统后续的数据处理要求。     

基于CPLD的CCD视频信号处理电路的设计与硬件实现 基于CPLD的CCD视频信号处理电路的设计与硬件实现

在分析VSP1012型CCD视频信号处理芯片工作原理的基础上,设计了CCD成像系统的视频信号处理电路及其硬件电路.选用CPLD器件作为硬件设计载体,使用VHDL语言对VSP1012的初始化设置和驱动时序发生器进行了硬件描述.并针对ALTERA公司的EPM7160SLC84-10进行了RTL级仿真及配置.硬件实验结果表明,所研制的CCD视频信号处理电路不仅可以满足CCD成像系统视频信号处理的要求,而且集成度高,应用方便.     

一种典型的科学级CCD驱动时序的FPGA设计

科学级CCD驱动时序对CCD可靠、稳定的运行起着重要作用.针对e2v公司的CCD47-20BI AIMO(advanced inverted mode operation)提出了一种基于FPGA(field programmable gate array)的科学级CCD驱动时序的设计方案.该设计方案以Actel公司的FPGA-APA600为硬件设计平台,在LiberoIDEv9.0开发环境中,使用Verilog语言对驱动时序进行硬件描述,并采用第三方软件ModelSim6.0进行功能仿真.配合Matrox公司的图像采集卡进行图像采集实验,实验结果表明,CCD能正常、稳定地工作,所设计的驱动时序满足CCD47-20 BI AIMO的时序要求.目前,该设计已应用于氧气探测空间外差干涉仪的CCD读出电路,满足工作要求.     

Design of vision measurement system of double optical paths with single CCD based on DSP

The design of vision measurement system of double optical paths with single CCD based on the digital signal processor （DSP） is presented. Using TMS320F2812 as the intelligent control unit, the CCD driving circuit, level conversion circuit and CCD output signal data acquisition and processing circuit are designed. By means of plane reflectors, the optical structure of the system is optimized, which reduces errors owing to tilt effect of the measured unit, improves measuring accuracy and makes the system more compact. Double optical paths signal data acquisition with single CCD is demonstrated. In addition, the improved resolution is enhanced up to sub-pixel level by the average polynomial interpolation algorithm.     

高集成度多光谱TDI CCD焦平面系统

提出了一种高集成度TDI CCD焦平面系统,成功应用TDI CCD驱动单元厚膜集成模块完成了具有16路CCD信号输出、像元读出频率20 MHz的高集成度高速多光谱TDI CCD焦平面系统的研制。通过采用双通道CCD信号处理模拟前端、厚膜集成驱动单元模块、高速LVDS图像数据传输接口以及机、电、热一体化仿真设计方法,极大提高了TDI CCD焦平面系统的集成度,降低了系统互连的复杂程度。系统共有4路图像数据传输接口,单路传输能力达到1.6~2.5 Gbps,最高可实现10 Gbps的图像数据带宽,在保证高数据率的同时,提高了数据传输的抗干扰能力。阐述了系统设计方案及多光谱TDI CCD探测器工作原理,并对其中的机电集成设计、驱动单元厚膜集成技术以及高速串行传输总线等关键技术进行了分析描述。通过采用TDI CCD传函测试片对系统进行了测试,焦平面全系统调制传函平均为0.511。